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CN100468066C - 用于检测直流和/或交流电流的设备和方法 - Google Patents

用于检测直流和/或交流电流的设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了检测直流和/或交流电流的设备，该设备能用于实现高灵敏度电流测量计或检测伴随自动开关的差分故障。本发明的设备包含能放置在至少一个承载电流的导体(6)周围的磁芯(5)。线圈(10)环绕磁芯(5)并连接到电阻器(60)。电压源(40)产生驱动电压(Vexcit)，该电压能允许接触电流(Iexcit)在所述线圈(10)和所述电阻器(60)中流动。放大装置(20)用于检测电阻器(60)两端的电压(Vsense)以产生表示上述定义的电流(Iexcit)的第一信号(Vampl)。本发明的设备还包含反馈调整电路块(70)，其捕获第一输入信号(Vampl)来产生第二信号，该第二信号在接触电流(Iexcit)达到预置值时反转所述驱动电压(Vexcit)。

Description

用于检测直流和/或交流电流的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于检测直流和/或交流电流的设备和方法，该设备和方法优选地用于实现高灵敏度电流测量计或读取伴随自动开关的差分故障(通地漏泄)。
背景技术
如所述，已有不同种类基于不同工作原理的交流/直流检测器。例如，一种检测器是基于霍尔效应传感器的使用；而另一类型使用了具有载频的被驱动磁芯，以便利用磁芯的磁特性的联系，尤其是磁芯材料的磁滞回线。
US 4276510专利中给出了这种检测器的一个例子。具体的，所述电流计通过利用在非磁饱和区域产生高频磁场的驱动变压器磁芯来测量差分故障，并通过次级线圈检测用于读取的有用信号。
US 5223789专利中说明的另一个例子中，检测设备采用通过高频电压源产生磁场的线圈。
上述及其他现有解决方案带来不便。具体的，基于霍尔传感器的方案由于对外部磁场高度敏感，因而用于低成本差分系统时效率不高，它们需要复杂的屏蔽系统。此外，这些方案具有涉及到相对高的能量消耗及读数动态范围差等问题。
而基于在非饱和区域被供应的磁传感器的方案，其精度极大地受到磁芯公差以及构成设备的众多模拟装置的影响。大量的元件使得这些方案造价非常昂贵，如US4276510专利预见到了磁芯上附加的线圈。
在非饱和区工作的方案的另一缺点在于不期望的“剩磁”现象，其产生于被测量导体出现浪涌电流时。这种只能在长时间使用后消失的剩磁，将导致故障和误读。
这一方案的另一限制，例如US5223789专利中，涉及到其功能是基于BH图为常数的假设，而忽略了磁芯材料BH图的漂移，该漂移例如与被测导体强电流通过同时发生。此外，其工作依赖于恒定频率源且没有反馈，这需要使用特定的高价的磁芯材料(高磁导率及具有对称和矩形磁滞回线的材料)。
发明内容
基于以上考虑，本发明的主要任务在于提供一种能克服上述不便的交流/直流电流检测器。
本任务范围内，本发明的主要目的在于提供一种能保证电流的高精确度和大读数范围的交流/直流电流计。
本发明的另一目的在于提供一种基本上不受外部磁场和剩磁现象影响的交流/直流电流检测器。
本发明的另一目的在于提供一种由极少数元件组成并能在很低能量消耗下工作的电流检测设备。
本发明的另一目的但不是最不重要的目的在于提供一种既很可靠，相对容易制造且价格有竞争力的自动系统。
所述的任务和目标根据本发明通过一种用于检测交流和/或直流电流的设备实现，该设备包括:能放置在至少一个承载电流的导体周围的磁芯；环绕所述磁芯并连接到电阻器的线圈；电压源，该电压源能提供驱动电压，并随之产生在所述线圈和所述电阻器中流动的接触电流；连接到所述电阻器的输入端的放大装置，该放大装置能产生与在所述电阻器两端产生的电压成正比的第一输出电压信号；所述设备的特征在于包含一个反馈调整电路块，该反馈调整电路块连接到所述放大装置和所述电压源，所述反馈调整系统检测所述第一输出电压信号并产生第二输出信号，该第二输出信号能在所述线圈和所述电阻器中所述流动电流达到预置值时反转所述驱动电压。
本发明还提供了一种用于在设备中检测要使用的直流和/或交流电流的方法，所述设备包括至少一个承载电流的导体周围的磁芯，所述方法的特征为包含以下阶段:提供驱动电压，该驱动电压能够产生在线圈中流动的接触电流，所述线圈环绕在所述磁芯并连接到电阻器；检测所述电阻器两端的电压，并产生与所述电阻器两端的电压成正比的第一输出电压信号；基于所述第一电压信号，产生第二信号，该第二信号能够在所述线圈和所述电阻器中流动的所述接触电流达到预置值时反转所述驱动电压。
本发明电流检测设备的主要优点将重点通过反馈调整系统说明，该系统允许有效利用所选材料的自然特性。这使得所述仪器能与使用非常经济材料的磁芯兼容，并区别于不完全对称的磁滞回线。
附图说明
本发明的其他特点和优点主要来自，但不限于对根据本发明的交流/直流电路检测设备的优选实施例的描述。本发明通过以下附图示例，但并不局限于这些附图:
图1示出了本发明的电压检测设备的可能实施例的示意图。
图2示出了本发明的检测设备的元件特征信号的走向。
图3涉及作为构成本发明的检测设备磁芯的材料的特征的磁滞回线。
具体实施方式
参照所述附图，本发明的电流检测设备包括环绕一个或多个导体6的磁芯5，直流或交流电流从所述导体通过。具体的，如果设备1用作电流计，磁芯5只被一个导体6穿过，反之，如果设备用作自动开关，磁芯将有利地被不同导体穿过，以便读出在磁芯内流过的电流矢量和的幅度。以下描述主要涉及检测设备1用于电流计，它具有与差分使用相关的同样的物理原理。
参考图1，所述发明的设备1包括环绕磁芯5的线圈10以及与线圈10电气连接(最好串联)的电阻器60。电压源40提供驱动电压Vexcit，紧接着产生在所述线圈10和所述电阻器60中流动的接触电流(pick-up current)Iexcit。放大装置20接入在所述电阻器60的输入端，用于产生正比于在所述同一电阻器60两端的电压Vsense的初级输出信号Vampl。
本发明的设备具有如下的特征:包含连接到所述放大器20和电压源40的反馈调整电路块70。具体的，电路块70接收由放大器20产生的第一输入信号Vampl，接着产生第二输出信号，该第二输出信号被送往所述电压源40，以在所述线圈10和电阻器60中流动的电流Iexcit达到预置值时，反转上述驱动电压Vexcit。
这些预置值在定义时考虑了磁芯5的磁化周期并使得每一次反转周期时饱和条件都能安全达到。
在本发明的优选实施例中，电压源40包含有电路，例如一个H跳线(H jumper)，它产生方波，该方波的幅度介于两个预置电压值Vexcit+和Vexcit-之间，并且周期可变，并由反馈调整电路块70产生的所述第二信号连续控制。
参照图1和3，当流动在所定义导体中的被读电流I为零时，施加电压Vexcit，则依赖于元件本身构造特性的可变电流Iexcit开始在线圈10和电阻器60中流动。在磁芯5中，所述Iexcit电流产生可变磁场H，如所述，该磁场与图3显示的BH图的磁感应B相联系，BH图的趋势基于构成磁芯5的材料。具体的，随着磁场H的增加，磁感应B逐渐增加达到与磁芯5的正向饱和相对应的值Bsat+.当施加Vexcit-电压时，模拟和有效逻辑相应地改变符号。
参考图3，为了有效产生饱和现象，最好使用具有低饱和值Hsat+和Hsat-的材料，以及对相应磁感应值Bsat+和Bsat-的明确定义。如上所述，当这些参数被定义后，他们可用于描述在线圈10和电阻器60中流动的Iexcit电流。
如上所述，在电阻器60两端建立起与在线圈10和电阻器60中流动的Iexcit电流成正比的Vsense电压。具体的，所述Vsense电压的最大值取与具有相反符号的接触电流Iexcit+和Iexcit-相对应的相反的驱动电压Vexcit+和Vexcit-。连接到电阻器60两端的放大装置20，产生与Vsense成正比的初级Vampl信号，并立即用于反馈以及被低通滤波器30传送到之后的捕获级。
很清楚，在一系列比例元件末尾的第一Vampl信号本身与接触电流Iexcit成正比。具体的，根据本发明，在图3中用Bsat+和Bsat-指出的磁饱和条件下，相应的值Vampl+和Vampl-有利地被用于反馈调整电路块70来反转Vexcit驱动电压。
根据本发明的实施例，反馈调整电路块70包括一个放大器75和驱动电路50。所述放大器75接收第一Vampl输入信号，条件满足时该信号激发驱动电路50，产生用于相关的源40的电压反转的所述第二个信号。
参考图1和2，低通滤波器30具有提供代表在导体6中流动的电流的第三Vout信号的任务。具体的，滤波器30滤除了第一Vampl信号中的高频分量，并返回包含单一直流或低频分量的第三Vout模拟信号。例如，这可通过传统的RC滤波器来实现，该滤波器能自然返回基本表示整个输入信号的信号。参数R(电阻)和C(电容)的计算基于工作范围和积分进行的时间。所述时间计算时考虑了电压源40振荡的主要频率范围以及计划读入最大频率，电流I和设备1的其他参数中。
参考图2，在导体6中无电流流动的电流I条件下，存在一个与上述基本对称的现象；因而低通滤波器30输入零信号。
如果非零电流I在导体6中流动，这将在磁芯5中产生一个磁场，该磁场将与由线圈10中流动的接触电流Iexcit产生的磁场相交迭。所述交迭导致在线圈10和电阻器60中流动的Iexcit电流值的瞬时改变；这一改变和导体6中流动的电流I的值成正比。在几何术语上，图2中的Vexcit曲线，如前所述，与接触电流Iexcit成正比，经历与在导体6中流动的电流I成正比的向上或向下运动。Vampl曲线呈现了与代表所述第一信号的趋势相同的趋势。因此从这一情况可看出低通滤波器怎样返回一个与电流I成正比的第三Vout信号，并因而能显示电流值本身，只不过小了一个相对转换系数。
根据本发明的优选实施例及进一步提高性能的目的，设备1包含一个放置在低通滤波器30下游的初始化器。通过一个合适的比较周期，初始化器80方便地允许精确地设置设备1的各变量，以便在导体6中无电流I的情况下将放大器的第一Vampl输出信号的零点置中。
基于以上所述，本发明因此还与读取直流和/或交流电的方法相关，该方法用于包含一个磁芯5的设备，所述磁芯环绕在至少一个承载电流I的导体6周围。具体的，所述发明方法的特征在于包含以下阶段:
-提供了能产生接触电流(Iexit)的驱动电压(Vexcit)，该电流环绕设备的磁芯(5)的线圈(10)中流动，所述线圈连接到电阻器(60)；
-读取所述电阻器(60)的两端的电压(Vsense)，产生和在所述电阻器(60)两端的所述电压(Vsense)成正比的第一电压信号(Vampl)；
-基于所述第一电压信号(Vampl)产生第二信号，该第二信号能在线圈(10)和电阻器(60)中流动的电流(Iexcit)达到预置值时反转驱动电压(Vexcit)。
因此通过这样实现的设备和方法，测量的动态范围基本等同于电源的动态范围；事实上，电源电压图(图2)未经受任何切断，这与许多现有方案中预见的相反。该动态范围的完整的开发与其它条件相同地被自动地转移到设备的高级动态范围和一般的精度。
有必要指出的是上述反馈调整电路块70导致磁芯5在饱和区域保持很短的时间，其优势在于这种方式下能量消耗将极大减少。
所述设备和利用其实现的检测方法，借助于能量吸收的优化以及非常低数量的无源元件，其特点是具有极低功耗。这使得它特别适用于可用能量有限的系统。
依照本发明的电流检测设备不受剩磁现象的影响，因为在每个磁化周期，磁芯饱和所需的磁场值均被有意超过。这一正负交替变换的磁场导致每个磁化半周期达到正(Bsat+)和负(Bsat-)饱和，这基本上导致正常工作条件的自动重置，即使在例如由被测量导体之一的过电流引起的磁芯的意外的和不期望的饱和之后。
从前面的描述应该理解，本检测设备和方法可以作出各种修改和改变而不偏离本发明的真实构思。此外，所有细节都可有技术上等效的元素代替。
基本上，材料和尺寸可根据技术要求和工艺任意选取。

Claims (11)

1.一种用于检测直流和/或交流电流的设备(1)，该设备包括:
能放置在至少一个承载电流(I)的导体(6)周围的磁芯(5)；
环绕所述磁芯(5)并连接到电阻器(60)的线圈(10)；
电压源(40)，该电压源能提供驱动电压(Vexcit)，并随之产生在所述线圈(10)和所述电阻器(60)中流动的接触电流(Iexcit)；
连接到所述电阻器(60)的输入端的放大装置(20)，该放大装置能产生与在所述电阻器(60)两端产生的电压(Vsense)成正比的第一输出电压信号(Vampl)；
所述设备的特征在于包含一个反馈调整电路块(70)，该反馈调整电路块连接到所述放大装置(20)和所述电压源(40)，所述反馈调整系统(70)检测所述第一输出电压信号(Vampl)并产生第二输出信号，该第二输出信号能在所述线圈(10)和所述电阻器(60)中所述流动电流(Iexcit)达到预置值时反转所述驱动电压(Vexcit)。
2、如权利要求1所述的设备(1)，其特征是当在所述线圈(10)和在所述电阻器(60)中流动的所述接触电流(Iexcit)的值能保证达到磁芯(5)的饱和条件(Bsat+，Bsat-)时，反馈调整电路块(70)产生所述第二输出信号。
3、如权利要求1或2所述的设备(1)，其特征是所述电压源(40)包含有能够产生方波的电路装置，该方波构成幅度介于两个预置电压值(Vexcit+，Vexcit-)之间，该方波周期可调，并可由通过反馈调整电路块(70)产生的所述第二输出信号连续控制。
4、如权利要求3所述的设备(1)，其特征是所述电路装置包含一个H跳线。
5、如权利要求1所述的设备(1)，其特征是包含低通滤波器(30)，该低通滤波器能产生代表在所述导体(6)中流动的电流(I)的第三模拟信号(Vout)，所述低通滤波器(30)被连接到所述放大装置(20)的输出端。
6、如权利要求5所述的设备(1)，其特征是所述低通滤波器(30)包含尺寸基于所述设备(1)的工作范围的电阻器(R)和电容器(C)。
7、如权利要求1所述的设备(1)，其特征是所述反馈调整电路块(70)包括与驱动电路(50)串联的放大器(75)，所述放大器(75)检测到由所述放大装置(20)产生的所述第一输出信号(Vampl)，所述驱动电路(50)产生所述第二输出信号，该第二输出信号能够反转由所述电压源(40)产生的所述驱动电压(Vexcit)。
8、如权利要求5至7中任一项所述的设备(1)，其特征是包含一个初始化器(80)，该初始化器从操作角度看连接到所述低通滤波器(30)的输出端，所述初始化器(80)能够通过比较周期精确设置设备(1)的变量。
9、一种用于在设备中检测要使用的直流和/或交流电流的方法，所述设备包括至少一个承载电流(I)的导体(6)周围的磁芯(5)，所述方法的特征为包含以下阶段:
提供驱动电压(Vexcit)，该驱动电压能够产生在线圈(10)中流动的接触电流(Iexcit)，所述线圈(10)环绕在所述磁芯(5)并连接到电阻器(60)；
检测所述电阻器(60)两端的电压(Vsense)，并产生与所述电阻器(60)两端的电压(Vsense)成正比的第一输出电压信号(Vampl)；
基于所述第一电压信号(Vampl)，产生第二信号，该第二信号能够在所述线圈(10)和所述电阻器(60)中流动的所述接触电流(Iexcit)达到预置值时反转所述驱动电压(Vexcit)。
10、如权利要求9所述的方法，其特征是产生的所述驱动电压(Vexcit)为方波，该方波的构成幅度介于两个预定电压值(Vexcit+，Vexcit-)之间，该方波周期可变，并由所述第二信号连续调整。
11、如权利要求9或10所述的方法，其特征是当在所述线圈(10)和所述电阻器(60)中流动的所述接触电流(Iexcit)的值能保证磁芯(5)达到饱和条件(Bsat+，Bsat-)时，产生所述第二信号。
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